Джон Гриббин - В поисках кота Шредингера. Квантовая физика и реальность

Верная математическая симметрия, включающая в себя слабое взаимодействие, две W-частицы [81]и нейтральную Ζ, впервые была разработана в 1960 году Шелдоном Глэшоу из Гарвардского университета и опубликована в 1961 году. Его теория не была окончена, но предположила возможность того, что в итоге и слабые, и электромагнитные взаимодействия могут быть объяснены одной теорией. Основная проблема заключается в том, что теория требует от W-частиц, в отличие от фотона, не только переносить заряд, но и обладать массой, что делает невозможной перенормировку теории, а также разрушает аналогию с электромагнетизмом, где фотон не обладает массой. Этим частицам необходимо обладать массой, поскольку слабое взаимодействие обладает коротким диапазоном, – если бы частицы не обладали массой, диапазон был бы бесконечным, как диапазон электромагнитного взаимодействия. Однако проблема связана не столько с самой массой, сколько со спином частиц. Все частицы, не обладающие массой, вроде фотона, в соответствии с квантовыми законами могут нести свой спин только параллельно или антипараллельно направлению своего движения. Частица, обладающая массой, наподобие W, также может нести спин перпендикулярно направлению своего движения, и это дополнительное состояние спина вызывает все проблемы. Если бы частицы W не обладали массой, существовал бы определенный тип симметрии между фотоном и W, а следовательно, и между слабыми и электромагнитными взаимодействиями, что позволило бы объединить их в одну перенормируемую теорию, объясняющую обе силы. Проблемы возникают, поскольку эта симметрия «нарушена».

Как может быть нарушена математическая симметрия? Лучший пример можно найти в магнетизме. Мы можем представить, что брусок магнитного материала вмещает огромное число крошечных внутренних магнитов, соответствующих отдельным атомам. При нагревании магнитного материала эти крошечные внутренние магниты вращаются и сталкиваются друг с другом в случайном порядке, следуя во всех направлениях, и не существует общего магнитного поля бруска – не существует магнитной асимметрии. Но при охлаждении бруска ниже определенной температуры, называемой температурой Кюри, он внезапно принимает намагниченное состояние, а все внутренние магниты организовываются в стройную систему. При высокой температуре самое низкое из доступных энергетических состояний соответствует нулевой намагниченности; при низкой температуре самое низкое энергетическое состояние – это состояние, в котором выстроены внутренние магниты (и неважно, как именно они выстраиваются). Симметрия нарушена, и изменение произошло потому, что при высокой температуре термальная энергия атомов превосходит магнитные силы, в то время как при низкой температуре магнитные силы превосходят термальное возбуждение атомов.

Рис. Э.5. Нарушение симметрии происходит при охлаждении бруска магнитного материала.

В конце 1960-х годов работавший в Имперском колледже в Лондоне Абдус Салам и работавший в Гарварде Стивен Вайнберг независимо друг от друга разработали модель слабого взаимодействия, основанную на математической симметрии, которую в начале 1960-х изобрел Глэшоу, а через несколько лет – и сам Салам. В новой теории нарушение симметрии требует нового поля, поля Хиггса, и соответствующих частиц, которые также названы в честь Хиггса. Электромагнитное и слабое взаимодействие объединяются в одно симметричное калибровочное поле – электрослабое взаимодействие с бозонами-переносчиками, не обладающими массой. Впоследствии эта теория оказалась перенормируемой, что в 1971 году было подтверждено работой голландского физика Герарда т’Хоофта, и с этого момента теорию стали воспринимать всерьез. В 1973 году появилось свидетельство существования Ζ-частицы, и теория электрослабого взаимодействия оказалась окончательно доказана. Объединенное взаимодействие «работает» только в условиях очень высокой энергетической плотности, как во время Большого взрыва, а в условиях более низких энергий оно самопроизвольно нарушается таким образом, что крупные частицы W и Ζ, задействованные в электромагнитном и слабом взаимодействии, идут своими путями.

Важность новой теории подтверждается тем фактом, что в 1979 году Глэшоу, Салам и Вайнберг получили за нее Нобелевскую премию по физике, хотя тогда еще не было прямого экспериментального доказательства верности их идеи. Однако в начале 1983 года команда ЦЕРНа из Женевы объявила результаты экспериментов с частицами на очень высоких энергиях (достигнутых прямым столкновением пучка высокоэнергетических протонов с пучком высокоэнергетических антипротонов), которые лучше всего описать как W– и Ζ-частицы с массами около 80 ГэВ и 90 ГэВ соответственно. Эти результаты прекрасно соотносились с предсказаниями теории, и таким образом теория Глэшоу – Салама – Вайнберга является «хорошей» теорией, так как ее предсказания можно проверить, в отличие от более ранней теории Глэшоу, которая таковой не являлась. Тем временем теоретики не сидели без дела. Если два взаимодействия можно объединить в одну теорию, то почему нельзя создать великую единую теорию, которая вместила бы в себя все фундаментальные взаимодействия? Мечта Эйнштейна, как никогда, близка к претворению в жизнь в форме не просто симметрии, а суперсимметрии и супергравитации.